花岗岩和混凝土在单轴冲击压缩荷载下的动态性能比较

采用黄铜波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置,分别对花岗岩和混凝土试件进行不同应变率（101～103）s-1下的单轴冲击压缩试验,有效地减少传统Hopkinson压杆试验中,岩石类脆性材料在内部应力达到均衡之前过早破坏以及输入波的高频震荡给试验数据带来的波动性。试验结果表明,应变率不仅影响这2种岩石类材料的强度,而且也影响材料的破碎程度和破碎形式,但对材料的初始弹性模量、破坏应变以及能量吸收率影响不大。从花岗岩和混凝土材料的微观结构特征和能量吸收能力等方面,对比分析这2种材料动态性能的共同特点和相互差异,合理地解释试验现象。该方法与结论对其他类型的脆性材料的动态性能研究具有一定的参考价值。     

花岗岩材料在动态压应力作用下力学特性的实验和模型研究

 博士学位论文摘要　岩石材料动态力学特性是评价岩石结构在爆炸以及地震载荷作用下稳定性的重要参数, 是国防和民用防护工程研究的基本资料, 具有重要的学术价值和应用价值。对花岗岩材料在动态压应力(单轴和三轴) 作用下的力学特性进行了较系统的实验和理论研究。首先通过实验研究了花岗岩材料的动态断裂特性以及在单轴和三轴动态压应力作用下的强度以及变形特性。结果表明, 花岗岩的动态断裂韧度随加载速率的增加以及加载时间的减小而增加。在单轴情况下, 花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化很小。在三轴情况下, 花岗岩的抗压强度也随应变速率的增加而增加, 强度的增加幅度随围压的增加有减小的趋势, 杨氏模量以及泊松比随应变速率的变化不大; 花岗岩的杭压强度随围压的增加明显增加, 在不同的应变速率下具有相同的趋势, 花岗岩的杨氏模量以及泊松比随围压的增加有小幅度的增加趋势。在实验研究的基础上, 应用滑移型裂纹模型对花岗岩材料在压缩应力作用下的力学特性进行了理论研究。在单轴情况下, 采用一组与轴向应力平行的滑移型裂纹系列模拟岩石材料的劈裂破坏模式同时考虑裂纹间的相互作用。根据裂纹的动态扩展准则以及能量平衡理论, 得到了不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系, 这些理论结果与实验结果符合得非常好。本部分的研究还表明, 在动载荷作用下, 裂纹的扩展速率以及岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性导致岩石材料的单轴抗压强度随应变速率的增加而增加。当应变速率为10- 4～ 100S- 1范围时, 裂纹的扩展速率对岩石材料的破坏影响可以忽略, 岩石材料的抗压强度随应变速率的增加仅仅由于岩石材料的动态断裂韧度的率相关特性造成。在三轴情况下, 用一组与轴向应力成一定夹角的滑移裂纹系列模拟岩石材料的剪切破坏模式, 并根据虚拟力方法得到了该裂纹系列的应力强度因子表达式。根据动态裂纹扩展准则以及能量平衡理论, 也得到了不同围压以及不同应变速率下花岗岩的理论强度值以及应力应变关系。结果表明, 花岗岩的抗压强度以及应力应变关系随应变速率的变化规律与实验结果符合得比较好。模型结果还表明, 由模型得到的强度以及应力应变曲线随围压的变化规律在较低围压时(小于110M Pa) 与实验结果符合得比较好。本项研究在实验研究的基础上, 创新性地从研究岩石内部固有的微裂纹在动载荷作用下的扩展聚合特性入手, 结合细观力学以及动态断裂力学的相关理论, 揭示了花岗岩的率相关特性机理, 初步建立了岩石材料宏观动态力学特性与岩石内部固有的裂纹动态扩展特性的关系以及岩石材料强度与应变速率的关系和率相关的岩石材料本构模型, 构筑了系统研究岩石材料率相关特性的基本框架。     

用数值模拟方法研究脆性材料的动态特性

采用数值模拟方法,研究了脉冲整形的优化参数,同时评价了在SHPB试验中脉冲整形技术对脆性试件的作用,研究发现:即使经过整形的入射脉冲产生一个近似恒应变率的反射脉冲,但在试件里,其不同位置的轴向应变变化趋势仍不相同。     

弹性平板硬币型裂纹断裂分析

研究了弹性平板内硬币型裂纹的断裂问题，利用积分变换将问题化为求解积分方程组，导出了应力强度因子与能量释放率的表达式，并给出了数值计算结果。     

中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响

 为了考察圆盘试件不同中心孔径对岩石动态断裂韧度测试值的影响,采用直径80 mm含有不同中心圆孔孔径的圆孔裂缝平台巴西圆盘试件,在Hopkinson压杆系统上进行径向冲击试验,获得岩石的动态断裂韧度。结果表明,当中心圆孔孔径与圆盘直径之比r0/R∈(0.10,0.30)时,岩石动态断裂韧度的平均值为4.57 MPa•m1/2,测试值受中心圆孔孔径变化的影响并不明显。试件的断裂模式有一定差异,当圆孔孔径较小时,在主裂纹扩展的过程中萌生较多的次生裂纹;随着孔径的增大,次生裂纹减少,试件呈现更加明显的宏观拉贯通破坏。对于推广中心圆孔裂缝平台巴西圆盘测试岩石动态断裂韧度的方法,以及掌握岩石受到动态冲击时的破坏特性具有重要的意义。     

蕴含岗岩材料在动态压应力作用下力学特性的实验和模型研究

岩石材料动态力学特性是评价岩石结构在爆炸以及地震载荷作用下稳定性的重要参数,是国防和民用防护工程研究的基本资料,具有重要的学术价值和应用价值。     

冲击荷载作用下应变率对花岗岩力学性能影响的颗粒流模拟

通过PFC颗粒流数值分析软件对SHPB试验进行数值模拟,研究了不同应变率对花岗岩力学性能的影响,探讨了不同应变率对花岗岩峰值应力、峰值应变的影响规律,分析了花岗岩在不同应变率作用下的破坏规律.结果表明:随着应变率的增加,峰值应力显著增加,表现出较强的应变率相关性;应变率增大,弹性模量随之增大.冲击荷载下花岗岩试件裂纹以...     

爆炸载荷下I型裂纹动态断裂韧度测试方法初探

爆破是岩土工程中广泛采用的掘进方法,岩石在爆炸载荷下的断裂特性是岩石动力学的核心问题之一。利用雷管和带裂纹的水泥砂浆试样进行爆破试验研究,采用试验–数值方法确定试样的动态断裂韧度。通过试验得到的应变信号来确定试样承受的荷载及裂纹起裂的时间,将得到的时程曲线输入有限元程序ANSYS,利用1/4节点单元计算裂尖的近场位移,进而使用位移外推法求得试样I型动态断裂应力强度因子的时程曲线。裂纹起裂时刻对应的应力强度因子值即为材料的动态断裂韧度,从而给出了在爆炸载荷下I型裂纹的动态断裂韧度测试新方法。     

冲击荷载下全珊瑚混凝土动力特性

以珊瑚砾石、珊瑚砂为粗、细骨料,并拌和海水、水泥制备全珊瑚混凝土.利用分离式霍普金森杆(SHPB)系统进行应变率为30.12～143.32s~(-1)的冲击加载试验,获得全珊瑚混凝土试件的动态单轴压缩应力-应变曲线,并研究了其动态强度增长、能量耗散、破坏模式及破碎分形的应变率效应.结果表明:全珊瑚混凝土试件动态强度增长因子(DIF)与应变率的0.5次方呈线性正相关,且高于同等级普通硅酸盐混凝土;全珊瑚混凝土试件总应变能、弹性能和耗散能均与应变率呈线性正相关,耗散能比率随总应变能增加而增大;不同于普通混凝土胶结面的破坏形态,全珊瑚混凝土试件的破裂面往往贯穿于珊瑚骨料;全珊瑚混凝土试件破碎分形维数与其对数应变率呈线性正相关,利用分形维数可定量表征全珊瑚混凝土的破碎程度.     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failuremode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably. __________ Translated from Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(3): 385–390 [译自: 岩土工程学报]     

Dynamic failure analysis on granite under uniaxial impact compressive load

High strain-rate uniaxial compressive loading tests were produced in the modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) with pulse shaper on granite samples. It was shown that the failure of the granite cylinder was typical tensile splitting failure mode by sudden splitting parallel to the direction of uniaxial compressive loading at different strain rates. Besides, it was concluded that not only the strength of granite increased, but also the fragment size decreased and the fragment numbers increased with the increasing strain rate. To quantitatively analyze the failure phenomena, the numerical calculation based on a dynamic interacting sliding microcrack model was adopted to investigate the influence of microcrack with the different initial crack length, crack angle, crack space and friction coefficient on the macro-mechanical properties of granite under different strain rates. Accordingly, the strain-dependency of the compression strength and the fragmentation degree of granite was explained reasonably.     

单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究

利用改进的大直径SHPB试验装置,对花岗岩试件进行单轴循环冲击压缩试验,分析花岗岩在循环冲击载荷下的力学特性及能量吸收规律。通过基于Weibull分布的动态统计损伤模型计算岩石的累积损伤,结合试验曲线分析岩石累积损伤的演化规律。研究结果表明：随着冲击载荷循环作用次数的增加,变形模量变小,试件的屈服应变增大,峰值应力呈降低趋势。岩石的累积比能量吸收值随着冲击次数的增加而增大,且试件破坏前其值增加缓慢,试件破坏时其值急剧增大。基于Weibull分布的动态损伤本构模型的计算曲线与试验曲线具有较好的一致性,该模型能反映岩石的强度与应变、应变率的关系。累积损伤随着循环冲击次数的增加而增大,其增加速率由小变大,试件破坏前累积损伤的增加较为平缓,其主要增量由最后一次冲击破坏产生。     

片岩和纤维混凝土动态压缩性能比较

为了研究冲击压缩荷载作用下绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度、破坏情况、能量吸收的应变率效应问题,采用波形整形器改进后的分离式Hopkinson压杆装置,以不同的速度分别对2种材料进行单轴冲击压缩试验.试验结果表明:绢云母石英片岩和玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度、破坏情况、能量吸收能力均有显著的应变率相关性...     

Numerical modelling of uniaxial compressive failure of granite with and without saline porewater

It is important for rock engineering design to be able to validate numerical simulations, i.e. to check that they adequately represent the rock reality. In this paper, the capability and validity of four numerical models is assessed through the simulation of an apparently simple case: the complete process of microstructural breakdown during the uniaxial compressive failure of intact crystalline rock. In addition to comparing the capabilities of the four models, the results generated by each model were compared with the experimentally determined complete stress–strain curves for the Swedish Ävrö granite for different porewater conditions. In this way, it has been possible to audit the models’ adequacy for this particular simulation task. It was found that although the models had common features, they were each idiosyncratically different and required considerable expertise to match the actual stress–strain curves (which did not monotonically increase in axial strain)—indicating that, for more complex simulations, both adequate modelling and appropriate validation are not going to be an easy task. The work was conducted within the framework of the international 2004–2007 DEmonstration of COupled models and their VALidation against EXperiments with emphasis on Thermo Hydro Mechanic and Chemical aspects (DECOVALEX-THMC) phase on coupled modelling extended to include chemical effects and with application to the excavation damaged zone (EDZ) in crystalline rock.     

Micromechanical modelling of the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads

A micromechanics-based model is used to study the mechanical properties of a granite under dynamic uniaxial compressive loads. The model is based on interacting sliding cracks uniformly distributed in the rock material. A dynamic crack growth criterion, which is related to crack growth velocity and dynamic fracture toughness of the rock material, is employed in the analysis. Under dynamic loads at strain rates from 10⁻⁴ to 10⁰ s⁻¹, the crack growth velocity is small compared to the critical crack growth velocity and the effect can be ignored. The strengths of the granite obtained by micromechanical modelling agree with the experimental results. A constitutive relation of the granite is derived from the energy equilibrium equation and correlated with the experimental results.     

钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载下的动力分析

通过有限元计算软件,分析了在冲击荷载作用下钢材强度、混凝土强度以及含钢率对钢管混凝土短柱承载力强度的影响,对沿试件长度方向试件的径向位移进行了分析,并对试件进行了变质量分析,得出钢管混凝土试件在材料、尺寸确定的情况下承受轴向荷载时,位移主要由冲击能量决定。     

砌体局部受压有限元分析

采用有限元方法,分析了典型砌体局部受压时主应力和Mises应力分别沿截面宽度和深度的变化规律。结果表明,最大主拉应力位置与已有试验结果大致吻合;应力云图可清晰地反映砌体局压时的应力扩散作用,主要应力扩散范围约为一倍的局压范围的边长;最大Mises应力值可反映不同局压位置对局压强度的影响,研究成果有助于进一步了解砌体局压的受力机理,为下一步修订规范提供参考。     

冲击作用下混凝土表面裂纹多重分形研究

采用多重分形理论,研究了钢纤维混凝土在SHPB试验中的裂纹特性,分析了断裂表面的多重分形性质与材料属性以及冲击压力的关系,同时给出了混凝土断裂表面多重分形的特点。研究了钢纤维混凝土的裂纹分布,从裂纹的疏密与均匀程度分析了纤维的阻裂效果,为探索混凝土表面裂纹图形的分形特征与其承受的动荷载之间的内在规律,建立适合描述混凝土分形结构和分形行为的数学力学方法和基本理论找到一个新的思路。